JP4072544B2

JP4072544B2 - ガスレーザ装置

Info

Publication number: JP4072544B2
Application number: JP2005163122A
Authority: JP
Inventors: 孝徳佐藤; 孝文村上; 明江川
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2008-04-09
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Description

本発明は、気体をレーザ媒質とするガスレーザ装置に関する。

気体をレーザ媒質とするガスレーザ装置は、加工、医療、計測等の分野で広く用いられている。ガスレーザ装置を構成するレーザ発振器は、一般に、レーザ媒質である流動ガス（本願で媒質ガスと称する）を励起する励起部（放電、光、熱、化学反応等による）と、励起部により励起した媒質ガスの光エネルギを増幅してレーザビームとして出射する光共振部（一対のミラーを有する）と、励起部及び光共振部に接続され、媒質ガスが圧力下で流動する媒質回路を形成する循環路と、循環路に設置され、媒質ガスを媒質回路内で強制的に高速循環させる送風機とを備えて構成される。

この種のガスレーザ装置において、発振されるレーザビームの特性（或いは品質）は、光共振部を構成する一対のミラーの曲率や反射率、励起部を構成する一例としての放電管の径や電極の幅、媒質回路を流れる媒質ガスの速度や脈動状態等の、種々の物理的パラメータの影響を受ける。ここで、従来のガスレーザ装置は一般に、レーザビームを作用させる対象物体の属性（材料、寸法等）や要求される作用精度（例えば加工精度）に対応して、最適な特性（或いは品質）を有するレーザビームを発振できるように、上記した種々のパラメータを予め固定的に設定している。

他方、従来のガスレーザ装置において、発振形式を連続波（ＣＷ）型とパルス型とで切り換えて、異なる特性のレーザビームを適宜選択して発振できるようにしたものが知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載されるガスレーザ装置は、上記した一般的構成のレーザ発振器に加えて、媒質回路を流動する媒質ガスの、流動圧力及び組成の少なくとも一方を変えるための媒質ガス貯蔵部を備えて構成される。媒質ガス貯蔵部は、高圧タンクと低圧タンクとを有し、両タンクがそれぞれ、制御部による制御下で開閉動作する電磁弁を介して媒質回路に接続される。高圧タンク及び低圧タンクには、媒質ガスを組成する複数の成分ガス（例えばヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ_２）、二酸化炭素（ＣＯ_２））が、所定の圧力及び混合比でそれぞれ貯蔵されている。レーザビームの発振形式を連続波（ＣＷ）型とパルス型とで切り換えるときには、制御部が、高圧タンク及び低圧タンクのいずれか一方と媒質回路との間の電磁弁を開くことにより、媒質回路内の媒質ガスの圧力及び組成の少なくとも一方を、連続波（ＣＷ）型又はパルス型の発振形式に適したものに調整する。

特開昭６３−４２１８８号公報

ガスレーザ装置を用いたレーザ加工システムにおいて、近年、薄板鋼板の切断工程の高速化及び切断面の平坦化（すなわち面粗度の向上）に対する要求が高まっている。また、多品種少量生産を推進するために、薄板鋼板の加工と厚板鋼板の加工とを、共通のガスレーザ装置を用いて任意の順序で行うことも要求されている。このような状況下で、加工対象ワークの属性（材料、寸法等）や要求される加工精度が変わるに伴い、１台のガスレーザ装置で発振するレーザビームの特性（或いは品質）を、適宜調整して最適化できることが望まれている。

例えば、薄板鋼板の高速切断を実行するためには、加工点に集光したレーザビームのエネルギ密度を確保することが重要であり、集光特性に優れたレーザビームを高出力で発振できることが求められる。また、厚板鋼板の高速切断を実行するためには、十分な量のアシストガスを通過させる切除幅を確保することが重要であり、そのような比較的大きな集光径のレーザビームを高出力で発振できることが求められる。これに対し、平坦な切断面が得られる高精度切断を実行するためには、レーザビームの出力の経時変動が少ないことが重要であり、その目的で、媒質ガスの層流化や脈動を低減することが求められる。しかし、媒質ガスの層流化や脈動を低減することは、レーザビームの高出力化とは相反するものである。

従来のレーザ加工システムにおいて、加工対象ワークの属性（材料、寸法等）や要求される加工精度の変更に伴い、光共振部内に設けられるアパーチャの寸法を切り替えてビームモードを制御したり、加工機内のビーム伝播路に設置したミラーの曲率を可変式にしたり、加工ノズルに設置した集光レンズを交換可能にして焦点距離や集光径を制御したり、レーザ発振器内の媒質ガスの流速を制御したり、レーザ発振器に媒質ガスの脈動を低減する整流器を設置したりすることは、既に試行されている。しかし、ワークの属性や加工精度の変更に伴い、使用する媒質ガスの組成を直接的に調整することにより、レーザビームの特性（或いは品質）を最適化することは、従来行われていない。

この観点で、前述した特許文献１に記載される技術は、レーザビームの発振形式を連続波（ＣＷ）型とパルス型とで切り換えることを主眼とするものであって、ワークの属性や加工精度の変更に臨機応変に対応して、レーザビームの特性（或いは品質）を最適化することは困難である。なお、レーザ加工システムに限らず、医療用途（例えば診断や治療）等の他のレーザシステムにおいても、レーザビームの作用対象物体（例えば皮膚）の属性や要求される作用（例えば切開）精度の変更に、臨機応変に対応できるようにすることが望まれている。

本発明の目的は、気体をレーザ媒質とするガスレーザ装置において、レーザビームを作用させる対象物体の属性や要求される作用精度の変更に伴い、使用する媒質ガスの組成を直接的に調整することによりレーザビームの特性を最適化できるガスレーザ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、媒質ガスが圧力下で流動する媒質回路を有するレーザ発振部と、レーザ発振部の媒質回路を流動する媒質ガスの組成を調整するガス組成調整部とを具備するガスレーザ装置において、ガス組成調整部は、レーザ発振部の媒質回路に、組成の異なる複数種類の媒質ガスを、それぞれの流量を調整可能に供給する給気部と、レーザ発振部の媒質回路から媒質ガスを排出する排気部と、レーザ発振部で発振されるレーザビームの加工対象物体の属性及び加工精度の、少なくとも一方を含む発振条件に従い、給気部及び排気部を制御して、媒質回路を流動する媒質ガスの組成を調整する制御部であって、発振条件の記述を含むレーザ加工プログラムにおける発振条件の変更指示に従い、給気部及び排気部を制御するとともに、排気部を制御して媒質回路から実質的に全ての媒質ガスを排気させた後に、給気部を制御して、複数種類の媒質ガスから得られる発振条件に従った組成の媒質ガスを媒質回路に供給させる制御部と、を具備することを特徴とするガスレーザ装置を提供する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガスレーザ装置において、給気部と媒質回路との間に設置され、給気部から媒質回路に供給される発振条件に従った組成の媒質ガスの供給圧力を調整する圧力調整部をさらに具備する、ガスレーザ装置を提供する。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のガスレーザ装置において、給気部が圧力調整部に脱離自在に接続される、ガスレーザ装置を提供する。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスレーザ装置において、給気部は、それぞれが複数の成分ガスを所定比で混合してなる複数種類の媒質ガスを、制御部による制御下で媒質回路に供給する、ガスレーザ装置を提供する。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスレーザ装置において、給気部は、複数の成分ガスを所定比で混合してなる少なくとも１種類の媒質ガスと、少なくとも１種類の単成分媒質ガスとを、制御部による制御下で媒質回路に供給する、ガスレーザ装置を提供する。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のガスレーザ装置において、少なくとも１種類の単成分媒質ガスが、少なくとも１種類の媒質ガスに予め含まれる成分ガスと同じ種類のものである、ガスレーザ装置を提供する。

請求項７に記載の発明は、請求項５に記載のガスレーザ装置において、少なくとも１種類の単成分媒質ガスが、少なくとも１種類の媒質ガスに予め含まれる成分ガスとは異なる種類のものである、ガスレーザ装置を提供する。

請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載のガスレーザ装置において、給気部は、媒質回路に供給される複数種類の媒質ガスの流量を、制御部による制御下で個別に調整する複数の流量調整要素を備える、ガスレーザ装置を提供する。

請求項１に記載の発明によれば、レーザ加工やレーザ治療等の作業を遂行している間に、レーザビームが作用する加工対象物体（ワーク）の属性（材料、寸法等）や、要求される加工精度が変更になった場合にも、制御部が、そのような変更された内容の発振条件に従い、給気部及び排気部を制御して、媒質回路を流動する媒質ガスの組成を、最適化すべく調整することができる。その結果、加工対象物体の属性や加工精度の変更に臨機応変に対応して、レーザビームの特性（或いは品質）を最適化することができる。また、レーザ加工プログラムに記述される種々の加工条件の１つとして、発振条件を予め記述しておくことで、ワークの属性や加工精度の変更に随時対応して、加工プログラムに従い最適なレーザ加工を実行することができる。さらに、発振条件の変更に伴って、媒質回路を流動する媒質ガスを実質的完全に入れ替えることができる。しかも、媒質ガスの所要の成分比は、給気部における流量制御だけで確保できるので、容易かつ正確にレーザビームの特性（或いは品質）を最適化できる。

請求項２に記載の発明によれば、媒質回路内の媒質ガスの圧力を一定値に維持できる。

請求項３に記載の発明によれば、媒質ガスの組成調整機能を有さない従来一般的なガスレーザ装置に対し、給気部をいわゆる外付けで設置して機能追加することができる。

請求項４に記載の発明によれば、複数種類の所定組成の媒質ガスのうち、発振条件に見合った最適組成の媒質ガスを自動的に選択して、媒質回路に供給することができる。

請求項５〜７のいずれか１項に記載の発明によれば、少なくとも１種類の所定組成の媒質ガスと、少なくとも１種類の単成分媒質ガスとから、発振条件に見合った最適組成の媒質ガスを混合生成して、媒質回路に供給することができる。

請求項８に記載の発明によれば、複数種類の媒質ガスの流量を調整するための制御部による制御が容易になる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。全図面に渡り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。
図面を参照すると、図１は、本発明に係るガスレーザ装置１０の基本構成を機能ブロック図で示す。ガスレーザ装置１０は、媒質ガスＭが圧力下で流動する媒質回路１２を有するレーザ発振部１４と、レーザ発振部１４の媒質回路１２を流動する媒質ガスＭの組成を調整するガス組成調整部１６とを備える。ガス組成調整部１６は、レーザ発振部１４の媒質回路１２に、組成の異なる複数種類の媒質ガスＭ１、Ｍ２・・・を、それぞれの流量を調整可能に供給する給気部１８と、レーザ発振部１４の媒質回路１２から媒質ガスＭを排出する排気部２０と、レーザ発振部１４で発振されるレーザビームの作用対象物体の属性及び作用精度の、少なくとも一方を含む発振条件Ｃに従い、給気部１８及び排気部２０を制御して、媒質回路１２を流動する媒質ガスＭの組成を調整する制御部２２とを備えて構成される。

上記構成を有するガスレーザ装置１０によれば、レーザ加工やレーザ治療等の作業を遂行している間に、レーザビームが作用する対象物体（ワーク、皮膚等）の属性（材料、寸法等）や、要求される作用精度（加工精度、切開精度等）が変更になった場合にも、制御部２２が、そのような変更された内容の発振条件Ｃに従い、給気部１８及び排気部２０を制御して、媒質回路１２を流動する媒質ガスＭの組成を、最適化すべく調整することができる。

媒質ガスＭの組成が変わると、媒質回路１２内での流れやすさや屈折率が変化し、レーザ発振部１４における励起状態が変化する。その結果、レーザ発振部１４で発振されるレーザビームのモード次数、ビーム伝播特性、時間軸の出力変動等が変化するので、作用対象物体の属性や作用精度の変更に臨機応変に対応して、レーザビームの特性（或いは品質）を最適化することができる。したがって、本発明に係るガスレーザ装置１０は、１台で広い範囲の作業を実行できるものとなる。

上記構成において、給気部１８は、制御部２２による制御下で、組成の異なる複数種類の媒質ガスＭ１、Ｍ２・・・のそれぞれの流量を調整して、発振条件Ｃに見合った最適な成分比を有する媒質ガスを媒質回路１２に供給することができる。このとき、制御部２２は、先に排気部２０を制御して、媒質回路１２から実質的に全ての媒質ガスＭを排気させた後に、給気部１８を制御して、複数種類の媒質ガスＭ１、Ｍ２から得られる上記発振条件Ｃに従った最適な組成の媒質ガスを、媒質回路１２に供給させるように構成することが有利である。このような構成によれば、発振条件Ｃの変更に伴って、媒質回路１２を流動する媒質ガスＭを実質的完全に入れ替えることができる。しかも、媒質ガスＭの所要の成分比は、給気部１８における流量制御だけで確保できるので、容易かつ正確にレーザビームの特性（或いは品質）を最適化できる。

上記したガスレーザ装置１０をレーザ加工システムに採用する場合は、制御部２２は、発振条件Ｃを含むレーザ加工プログラムに基づいて、給気部１８及び排気部２０を制御するように構成できる。このような構成によれば、レーザ加工プログラムに記述される種々の加工条件の１つとして、発振条件Ｃを予め記述しておくことで、ワークの属性や加工精度の変更に随時対応して、加工プログラムに従い最適なレーザ加工を実行することができる。この場合、制御部２２は、ガスレーザ装置１０に接続されるレーザ加工装置（ロボット、工作機械等）の動作制御部に、機能的に組み込まれることもできる。なお、制御部２２がレーザ加工装置の動作制御部を兼ねる場合は、レーザ加工プログラムとして、数値制御プログラムを採用することが有利である。或いは、加工プログラムによらず、オペレータが任意で機械スイッチをオンオフ操作することにより、制御部２２が発振条件Ｃに従い給気部１８及び排気部２０を制御するように構成することもできる。

図２は、上記基本構成を有する本発明の第１実施形態によるガスレーザ装置３０の構成を模式図的に示す。なお、ガスレーザ装置３０において、図１に示す基本構成要素に対応する構成要素には、共通の参照符号を付してその説明を省略する。

ガスレーザ装置３０のレーザ発振部１４は、媒質ガスＭを励起する励起部３２と、励起部３２により励起した媒質ガスＭの光エネルギを増幅してレーザビームとして出射する光共振部３４と、励起部３２及び光共振部３４に接続され、媒質ガスＭが圧力下で流動する媒質回路１２を形成する循環路３６と、循環路３６に設置され、媒質ガスＭを媒質回路１２内で強制的に高速循環させる送風機３８とを備えて構成される。励起部３２は、一対の電源４０に接続される電極対（図示せず）を有する放電管として形成される。励起部３２の軸線方向両端には、光共振部３４を構成するリアミラー（全反射鏡）３４ａと出力ミラー（部分透過鏡）３４ｂとが、それぞれ保持機構を介して固定的に保持されている。

励起部３２の一対の電源４０は、対応の電極にラジオ周波数領域の交流電圧を印加する。このような通常の発振動作は、図示しない制御装置が実行するシーケンス制御により起動される。電源４０が起動されて放電が生じ、励起部３２内の媒質ガスＭが励起されて光共振部３４で増幅されると、出力ミラー３４ｂからレーザビームが出射される。励起部３２内の媒質ガスＭは、放電を受けて高温になるが、送風機３８の上流側に設置した熱交換器４２で冷却されて送風機３８に吸引される。送風機３８は、媒質ガスＭを圧力下で吐出側へ送り出す。この圧縮過程により昇温した媒質ガスＭは、送風機３８の下流側に設置した熱交換器４４で再度冷却される。送風機３８から送り出された媒質ガスＭは、冷却後、循環路３６を流動して励起部３２に供給される。

レーザ発振部１４の媒質回路１２を構成する循環路３６は、圧力調整部４６を介して、ガス組成調整部１６の給気部１８に接続される。圧力調整部４６は、給気部１８から送られる任意組成の媒質ガスの圧力を指定値に調整して循環路３６に供給し、それにより、媒質回路１２内の媒質ガスＭの圧力を常に一定値に維持する。また、ガス組成調整部１６の排気部２０は、例えば排気ポンプから構成され、圧力調整部４６から離れて循環路３６に接続される。排気部２０は、ガス組成調整ステップとは別に、媒質回路１２内の媒質ガスＭの一部を継続的に外部に排出するように機能する。

ガス組成調整部１６の給気部１８は、一対の切換弁（すなわち流量調整要素）４８、５０を有する。それら切換弁４８、５０は、組成の異なる２種類の媒質ガスＭ１、Ｍ２を個々に貯蔵した一対のガスボンベ５２、５４に、それぞれ流路５６、５８を介して接続され、媒質回路１２に供給されるそれら媒質ガスＭ１、Ｍ２の流量を、制御部２２による制御下で個別に調整する。ガスボンベ５２、５４に貯蔵される２種類の媒質ガスＭ１、Ｍ２は、それぞれが複数の成分ガスを予め定めた比で混合してなるものである。図示実施形態では、例として、一般的な炭酸ガスレーザの成分ガス（ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ_２）、二酸化炭素（ＣＯ_２））を通常の混合比で組成した媒質ガスＭ１と、媒質ガスＭ１と同じ成分ガスを異なる（ヘリウム濃度が高い）混合比で組成した媒質ガスＭ２とを使用する。

ここで、前述した高速軸流型のレーザ発振部１４で発振される炭酸ガスレーザは、媒質ガス中のヘリウム濃度が高くなるほど、レーザビームの時間変動が低減され、結果として例えばワークの切断面が平滑になることが、実験により判明している。また、光共振部３４を構成するリアミラー３４ａ及び出力ミラー３４ｂの曲率が同一の条件下では、媒質ガス中のヘリウム濃度が高くなるほど、発振されるビームモードが低次化することが判明している。その反面、ヘリウム濃度が高くなると、通常濃度の場合に比較して、レーザ出力が早く飽和してしまい、効率よく高出力を得ることが困難になる傾向がある。

ビームモードが低次化することにより、レーザビームをレンズで集光したときの焦点のスポット径が縮小する。焦点の単位面積当りのエネルギ密度は、スポット径の２乗に反比例する。したがって、例えば薄板鋼板を切断する際に、スポット径を縮小することで、切断に寄与しないエネルギを減らすことができ、低出力でも切断速度を増加させることができる。このように、レーザ発振部１４の媒質回路１２に収容されている通常混合比の３種混合媒質ガスＭ１を、ヘリウム濃度が高い３種混合媒質ガスＭ２に置換することにより、レーザビームの時間変動が少ないことが要求される高精度切断工程（切断面粗度向上）、及び集光性に優れる低次モードのレーザビームが要求される薄板高速切断工程に、的確に対応することができる。

図示のガスレーザ装置３０において、レーザ加工プログラムにより、一般的な（すなわち通常組成の媒質ガスを用いた）加工作業から、切断面重視の薄板高速切断工程への変更（すなわち発振条件Ｃの変更）が指示された場合の、各構成要素の動作を説明する。通常時は、制御部２２による制御下で、給気部１８の切換弁４８が開くとともに切換弁５０が閉じて、ガスボンベ５２から通常の成分比の媒質ガスＭ１が、レーザ発振部１４の媒質回路１２に送給されている。この間、圧力調整部４６及び排気部２０の動作により、媒質回路１２内の媒質ガスＭ１が一定圧力を維持しながら少量ずつ更新されている。

レーザ加工プログラムにおいて、発振条件Ｃの変更が指示されると、レーザ加工装置の加工作業動作を停止した後、レーザ発振部１４の励起部３２における放電を停止するとともに、制御部２２による制御下で給気部１８の切換弁４８を閉じて、媒質ガスＭ１の供給を停止する。このとき、制御部２２による制御下で、排気部２０による排気動作を継続して実行することで、媒質回路１２内の圧力を、放電を停止した瞬間の数千Ｐａ（数十Ｔｏｒｒ）から１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）以下まで低下させる（すなわち真空引きする）。

真空引きの完了後、制御部２２による制御下で、切換弁５０を開き、ヘリウムの組成比が高い媒質ガスＭ２を、圧力調整部４６を介して媒質回路１２に供給する。そして、圧力調整部４６の動作により、媒質回路１２内の圧力が整定した段階で、レーザ発振部１４の励起部３２における放電を再開する。それにより、切断面重視の薄板高速切断工程を、最適な特性を有するレーザビームを用いて開始する。以上の作業フローにおいて、放電の停止から異種加工開始まで、実際には数十秒を要するのみである。

上記構成において、ガス組成調整部１６の給気部１８は、それぞれが複数の成分ガスを所定比で混合してなる３種類以上の媒質ガスを、制御部２２による制御下で選択して媒質回路１２に供給することもできる。この場合、３個以上の切換弁（すなわち流量調整要素）が、３種類以上の媒質ガスを個々に貯蔵した３個以上のガスボンベに、それぞれ流路を介して個別に接続される。そして、例えばレーザ加工プログラムにより発振条件Ｃの変更が指令されたときに、個々の切換弁の動作により、その発振条件Ｃに見合った最適組成の媒質ガスが自動的に選択されて、媒質回路１２に供給される。

図３は、図１の基本構成を有する本発明の第２実施形態によるガスレーザ装置６０の構成を模式図的に示す。ガスレーザ装置６０は、ガス組成調整部１６の給気部１８の構成以外は、第１実施形態によるガスレーザ装置３０と実質的同一の構成を有するので、対応する構成要素には共通の参照符号を付してその説明を省略する。

ガスレーザ装置６０におけるガス組成調整部１６の給気部１８は、組成の異なる２種類の媒質ガスＭ１、Ｍ３を個々に貯蔵した一対のガスボンベ５２、６２に、それぞれ流路５６、６４を介して接続される二組の流量調整要素群を備える。すなわち、媒質ガスＭ１のための流量調整要素群は、ガス遮断部６６と圧力一定制御部６８と流量調整部７０とを有し、これら流量調整要素群が圧力制御部４６に対し直列に接続される。また、媒質ガスＭ２のための流量調整要素群は、ガス遮断部７２と圧力一定制御部７４と流量調整部７６とを有し、これら流量調整要素群が圧力制御部４６に対し直列に接続される。これら流量調整要素群は、媒質回路１２に供給される媒質ガスＭ１、Ｍ３の流量を、制御部２２による制御下で個別に調整する。具体的には、圧力一定制御部６８、７４で、２種類の媒質ガスＭ１、Ｍ３を同一圧力に制御した後、流量調整部７０、７６がそれら媒質ガスＭ１、Ｍ３の流量を指定流量比に調整する。それにより、レーザ発振部１４に供給される媒質ガス（媒質ガスＭ１、Ｍ３の混合ガス）Ｍの組成比が決められる。

ガスボンベ５２、６２に貯蔵される２種類の媒質ガスＭ１、Ｍ３は、複数の成分ガスを所定比で混合してなるものと、単一の成分ガスを含有するものとである。図示実施形態では、例として、一般的な炭酸ガスレーザの成分ガス（ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ_２）、二酸化炭素（ＣＯ_２））を通常の混合比で組成した媒質ガスＭ１と、媒質ガスＭ１に含まれるいずれか１つの成分ガスと同じ種類の成分ガス（図示実施形態ではヘリウム）のみを含有する媒質ガスＭ３とを使用する。

図示のガスレーザ装置６０において、レーザ加工プログラムにより、一般的な（すなわち通常組成の媒質ガスを用いた）加工作業から、切断面重視の薄板高速切断工程への変更（すなわち発振条件Ｃの変更）が指示された場合の、各構成要素の動作を説明する。通常時は、制御部２２による制御下で、給気部１８のガス遮断部６６が開くとともにガス遮断部７２が閉じて、ガスボンベ５２から通常の成分比の媒質ガスＭ１が、圧力一定制御部６８及び流量調整部７０を経由して、レーザ発振部１４の媒質回路１２に送給されている。この間、圧力調整部４６及び排気部２０の動作により、媒質回路１２内の媒質ガスＭ１が一定圧力を維持しながら少量ずつ更新されている。

レーザ加工プログラムにおいて、発振条件Ｃの変更が指示されると、レーザ加工装置の加工作業動作を停止した後、レーザ発振部１４の励起部３２（図２）における放電を停止するとともに、制御部２２による制御下で給気部１８のガス遮断部６６を閉じて、媒質ガスＭ１の供給を停止する。このとき、制御部２２による制御下で、排気部２０による排気動作を継続して実行することで、媒質回路１２内の圧力を、放電を停止した瞬間の数千Ｐａ（数十Ｔｏｒｒ）から１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）以下まで低下させる（すなわち真空引きする）。

真空引きの完了後、制御部２２による制御下で、一対のガス遮断部６６、７２の双方を開き、通常成分比の媒質ガスＭ１と単成分（ヘリウム）の媒質ガスＭ３とを、一対の流量調整部７０、７６によって決まる流量比で混合して、圧力調整部４６を介して媒質回路１２に供給する。そして、圧力調整部４６の動作により、媒質回路１２内の圧力が整定した段階で、レーザ発振部１４の励起部３２における放電を再開する。それにより、切断面重視の薄板高速切断工程を、最適な特性を有するレーザビームを用いて開始する。以上の作業フローにおいて、放電の停止から異種加工開始まで、実際には数十秒を要するのみである。

上記構成において、ガス組成調整部１６の給気部１８は、複数の成分ガスを所定比で混合してなる媒質ガスと、それぞれが単成分からなる２種類以上の媒質ガスとを、制御部２２による制御下で指定流量比に調整して互いに混合し、媒質回路１２に供給することもできる。この場合、３組以上の流量調整要素群（ガス遮断部、圧力一定制御部、流量調整部）が、３種類以上の媒質ガスを個々に貯蔵した３個以上のガスボンベに、それぞれ流路を介して個別に接続される。そして、例えばレーザ加工プログラムにより発振条件Ｃの変更が指令されたときに、個々の流量調整要素群の動作により、その発振条件Ｃに見合った最適組成の媒質ガスが混合生成されて、媒質回路１２に供給される。

また、上記構成において、複数の成分ガスを所定比で混合してなる媒質ガスに対し、その媒質ガスに予め含まれる成分ガスとは異なる種類の成分ガスのみを含有する媒質ガスを、指定流量比で混合することもできる。例えば、一般的な炭酸ガスレーザの３種混合媒質ガスに対し、一酸化炭素を含有する単成分媒質ガスを混合して、特性の異なるレーザビームを発振する４種混合媒質ガスを媒質回路１２に供給することができる。さらに、これら幾つかの変形例を互いに組み合わせて、本発明に係るガスレーザ装置を構成することもできる。

図４は、図１の基本構成を有する本発明の第３実施形態によるガスレーザ装置８０の構成を模式図的に示す。ガスレーザ装置８０は、ガス組成調整部１６の給気部１８をレーザ発振部１４に対して着脱自在な構成とした点以外は、第１実施形態によるガスレーザ装置３０と実質的同一の構成を有するので、対応する構成要素には共通の参照符号を付してその説明を省略する。

ガスレーザ装置８０では、レーザ発振部１４、排気部２０及び圧力調整部４６を内蔵する筐体８２に対し、給気部１８が、例えば別の筐体に内蔵された形態で、圧力調整部４６に脱離自在に接続される。このような構成によれば、媒質ガスの組成調整機能を有さない従来一般的なガスレーザ装置（レーザ発振部、排気部及び圧力調整部を有する）に対し、本発明における特徴的な給気部１８を、いわゆる外付けで設置して機能追加することができる。この場合、従来のガスレーザ装置における制御部のソフトを変更して、本発明における制御部２２として機能させれば良い。

以上、本発明の幾つかの好適な実施形態を説明したが、本発明は、これら実施形態に限定されず、種々の修正を施すことができる。例えば、上記したガスレーザ装置３０、６０、８０はいずれも、医療用途（例えば診断や治療）等の、レーザ加工システム以外のレーザシステムにも適用できる。

本発明に係るガスレーザ装置の基本構成を示す機能ブロック図である。本発明の第１実施形態によるガスレーザ装置の構成を模式図的に示す図である。本発明の第２実施形態によるガスレーザ装置の構成を模式図的に示す図である。本発明の第３実施形態によるガスレーザ装置の構成を模式図的に示す図である。

符号の説明

１０、３０、６０、８０ガスレーザ装置
１２媒質回路
１４レーザ発振部
１６ガス組成調整部
１８給気部
２０排気部
２２制御部
３２励起部
３４光共振部
３６循環路
３８送風機
４６圧力調整部
４８、５０切換弁（流量調整要素）

Claims

媒質ガスが圧力下で流動する媒質回路を有するレーザ発振部と、該レーザ発振部の該媒質回路を流動する媒質ガスの組成を調整するガス組成調整部とを具備するガスレーザ装置において、
前記ガス組成調整部は、
前記レーザ発振部の前記媒質回路に、組成の異なる複数種類の媒質ガスを、それぞれの流量を調整可能に供給する給気部と、
前記レーザ発振部の前記媒質回路から媒質ガスを排出する排気部と、
前記レーザ発振部で発振されるレーザビームの加工対象物体の属性及び加工精度の、少なくとも一方を含む発振条件に従い、前記給気部及び前記排気部を制御して、前記媒質回路を流動する媒質ガスの組成を調整する制御部であって、前記発振条件の記述を含むレーザ加工プログラムにおける前記発振条件の変更指示に従い、前記給気部及び前記排気部を制御するとともに、前記排気部を制御して前記媒質回路から実質的に全ての媒質ガスを排気させた後に、前記給気部を制御して、前記複数種類の媒質ガスから得られる前記発振条件に従った組成の媒質ガスを前記媒質回路に供給させる制御部と、
を具備することを特徴とするガスレーザ装置。
前記給気部と前記媒質回路との間に設置され、前記給気部から前記媒質回路に供給される前記発振条件に従った組成の媒質ガスの供給圧力を調整する圧力調整部をさらに具備する、請求項１に記載のガスレーザ装置。
前記給気部が前記圧力調整部に脱離自在に接続される、請求項２に記載のガスレーザ装置。
前記給気部は、それぞれが複数の成分ガスを所定比で混合してなる前記複数種類の媒質ガスを、前記制御部による制御下で前記媒質回路に供給する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスレーザ装置。
前記給気部は、複数の成分ガスを所定比で混合してなる少なくとも１種類の媒質ガスと、少なくとも１種類の単成分媒質ガスとを、前記制御部による制御下で前記媒質回路に供給する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスレーザ装置。
前記少なくとも１種類の単成分媒質ガスが、前記少なくとも１種類の媒質ガスに予め含まれる成分ガスと同じ種類のものである、請求項５に記載のガスレーザ装置。
前記少なくとも１種類の単成分媒質ガスが、前記少なくとも１種類の媒質ガスに予め含まれる成分ガスとは異なる種類のものである、請求項５に記載のガスレーザ装置。
前記給気部は、前記媒質回路に供給される前記複数種類の媒質ガスの流量を、前記制御部による制御下で個別に調整する複数の流量調整要素を備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載のガスレーザ装置。